【并发编程】如何用 Channel 解决并发问题?

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前言

什么是Channel?

在Go语言基础中应该就学过Channel,那个时候应该都认为只是一个基础类型,是一个管道一样类似的东西,方便快速读写操作,但是Channel在并发中扮演什么角色呢?Channel是Go语言内建的first-class类型,也是Go语言与众不同的特性之一。Go语言的Channel设计非常精巧而且简单,在其他语言也有类似Go风格的Channel库,但是并不像Go语言一样把Channel内置到了语言规范中。

Channel的发展

Channel这种Go编程语言中的特有的树结构,还是要从CSP模型学习,看看CSP模型对Go创始人设计Channel类型的影响。

CSP是Communicating Sequential Process 的简称,中文为通信顺序进程,或者叫交换信息的循序进程,是用来描述并发系统中进行交互的一种模式。

CSP最早出现于计算机科学家发布Quciksort算法的作者所发表的论文中。最初,论文中提出的CSP版本在本质上不是一种进程演算,而是一种并发编程,但之后经过了很多改进,最终发展并精炼出CSP的理论。CSP允许使用进程组件来描述系统,它们独立运行,并且只通过消息传递的方式通信

Go的创始人之一Rob Pike也曾经说过:每一个计算机程序员都应该读一下Tony Hoare1978年的关于CSP的论文,后来将CSP理论真正应用于语言本身,通过引入Channel这个新的类型,来实现CSP的思想。

Channel类型是Go语言内置的类型,你无需引入某个包,就能使用。虽然Go也提供了传统的并发原语,但是它们都是通过库的方式提供的,你必须要引入sync包或者atomic包才能使用它们,而Channel就不一样了,它是内置类型,使用起来很方面。

Channel和Go的另一个独特的特性goroutine一起为并发编程提供了优雅的、便利的、与传统并发控制不同的方案,并演化出很多 并发模式。


@TOC

Channel的应用场景

执行业务处理的goroutine不要通过共享内存的方式通信,而是要通过Channel通信的方式分享数据

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从Channel的历史和设计哲学上,可以知道,Channel类型和基本并发原语是有竞争关系的,它应用于并发场景,涉及到goroutine之间的通讯,可以提供并发的保护,等等。

作者在这里把Channel的应用场景分为五种类型,很值得思考。

  1. 数据交流:当作并发的buffer(缓冲区)或者queue,解决生产者-消费者问题。多个goroutine可以并发当作生产者(Producer)和消费者(Consumer)。
  2. 数据传递:一个goroutine将数据交给另一个goroutine,相当于把数据的拥有权(引用)托付出去。
  3. 信号通知:一个goroutine可以将信号(closing、closed、data ready等)传递给另一个或者另一组goroutine。
  4. 任务编排:可以让一组goroutine按照一定的顺序并发或者串行的执行,这就是编排的功能。
  5. :利用Channel也可以实现互斥锁的机制。

Channel基本用法

可以往Channel中发送数据,也可以从Channel中接受数据,所以,Channel类型(为了方便,Channel也叫做chan)分为只能接收、只能发送、既可以接收又可以发送三种类型。

ChannelType = ("chan" | "chan" "<-" | "<-" "chan") ElementType
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相应地,Channel的正确语法如下:

chan string           // 可以发送接收string
chan<- struct{}       // 只能发送struct{}
<-chan int            // 只能从chan接收int
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把既能接收又能发送的chan叫做双向的chan,把只能发送和只能接收的chan叫做单向的chan。其中,“<-”表示单向的chan,一个简便的记法:箭头总是指向左边的,元素类型总是最右边。如果箭头指向chan,就表示可以往chan中塞数据;如果箭头远离chan,就表示chan会往外吐数据。

chan中的元素是任意的类型,所以也可能是chan类型,例如:

chan<- chan int
chan<- <-chan int
<-chan <-chan int
chan (<-chan int)
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如何判断箭头符号属于哪个chan?“<-”有个规则,总是尽量和左边的chan结合,因此可以理解为:

chan<- chan int   // 《- 和第一个chan结合
chan<- <-chan int // 第一个<-和最左边的chan结合,第二个<-和左边第二个chan结合
<-chan <-chan int // 第一个<-和最左边的chan结合,第二个<-和左边的第二个chan结合
chan (<-chan int) // 因为括号的原因,<-和括号内第一个chan结合
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通过make,可以初始化一个chan,未初始化的chan的零值是nil。你可以设置它的容量,比如下面的chan的容量是9527,把这样的chan叫做buffered chan;如果没有设置,它的容量是0,把这样的chan叫做unbuffered chan(无缓冲 chan)。

meke(chan int, 9527)
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如果chan中还有数据,那么,从这个chan接收数据的时候就不会阻塞,如果chan还未满(“满”指达到其容量),给它发送数据也不会阻塞,否则就会阻塞。unbuffered chan只有读写都准备好之后才不会阻塞,这也是很多使用unbuffered chan时常见的Bug。

注意:nil是chan的零值,是一种特殊的chan,对值是nil的chan的发送接收调用者总是会阻塞

1. 发送数据

往chan中发送一个数据使用“ch<-”,发送数据是一条语句:

ch <- 2000
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这里的ch是chan int类型或者是chan <- int。

2. 接收数据

从chan中接收一条数据使用“<-chan”,接收数据也是一条语句:

x := <-ch // 把接收的一条数据赋值给变量x
foo(<-ch) // 把接收的一个的数据作为参数传给函数
<-ch // 丢弃接收的一条数据
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这里的ch类型是chan T或者 <-chan T。

接收数据时,还可以返回两个值。第一个值是返回的chan中的元素,很多人不太熟悉的是第二个值。第二个值是bool类型,代表是否成功地从chan中读取到一个值,如果第二个参数是false,chan已经被close而且chan中没有缓存的数据,这个时候,第一个值是零值。所以,如果从chan读取到一个零值,可能是sender真正发达的零值,也可能是closed的并且没有缓存元素产生的零值。

3. 其它操作

Go内建的函数close、cap、len都可以操作chan类型:chose会把chan关闭掉,cap返回chan的容量,len返回chan中缓存的还未取走的元素数量。

send和recv都可以作为select语句的case clause,如下面的例子:

func main() {
    var ch = make(chan int, 10)
    for i := 0; i < 10; i++ {
        select {
            case ch <- i:
            case v := <-ch:
                fmt.Println(v)
        }
    }
}
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chan还可以应用于for-range语句中,比如:

for v := range ch {
    fmt.Println(v)
}
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或者是忽略读取的值,只是清空chan:

for range ch {
}
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Channel的实现原理

chan的数据结构、初始化方法以及三个重要的操作方法都是什么?

chan数据结构

chan类型的数据结构如下图所示,它的数据类型是

Snipaste_2022-02-13_16-24-14.png

实现结构体源码:

type hchan struct {
    qcount   uint           // total data in the queue
    dataqsiz uint           // size of the circular queue
    buf      unsafe.Pointer // points to an array of dataqsiz elements
    elemsize uint16
    closed   uint32
    elemtype *_type // element type
    sendx    uint   // send index
    recvx    uint   // receive index
    recvq    waitq  // list of recv waiters
    sendq    waitq  // list of send waiters

    // lock protects all fields in hchan, as well as several
    // fields in sudogs blocked on this channel.
    //
    // Do not change another G's status while holding this lock
    // (in particular, do not ready a G), as this can deadlock
    // with stack shrinking.
    lock mutex
}
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每个字段都有什么意义?

  • qcount: 代表chan中已经接收但还没被取走的元素的个数。内建函数len可以返回这个字段的值。
  • dataqsiz:队列的大小。chan使用一个循环队列来存放元素,循环队列很适合这种生产者-消费者的场景
  • buf:存放元素的循环队列的buffer。
  • elemtype和elemsize:chan中元素的类型和size。因为chan一旦声明,它的元素类型是固定的,即普通类型或者指定类型,所以元素大小也是固定的。
  • sendx:处理发送数据的指针在buf中的位置。一旦接收了新的数据,指针就会加上elemsize,移向下一个位置。buf的总大小是elemsize的整数倍,而且buf是一个循环列表。
  • recvx:处理接收请求时的指针在buf中的位置。一旦取出数据,此指针会移动到下一个位置。
  • recvq:chan是多生产者多消费者的模式。如果消费者因为没有数据可读而被阻塞了,就会被加入到recvq队列中。
  • sendq:如果生产者因为buf满了而阻塞,会被加入到sendq队列中。

推荐文章learnku.com/articles/61…

初始化

只关注makechan就好,因为makechan64只是做了size检查,底层还是调用makechan实现的。makechan的目标就是生成hchan对象。

看一下makechan的主要逻辑。主要的逻辑我都加上了注释,它会根据chan的容量的大小和元素的类型不同,初始化不同的存储空间:

func makechan(t *chantype, size int) *hchan {
    elem := t.elem
    // 略去检查代码
    mem, overflow := math.MulUintptr(elem.size, uintptr(size))
    
    var c *hchan
    switch {
    case mem == 0:
        // chan的size或者元素的size是0,不必创建buf
        c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize, nil, true))
        c.buf = c.raceaddr()
    case elem.ptrdata == 0:
        // 元素不是指针,分配一块连续的内存给hchan数据结构和buf
        c = (*hchan)(mallocgc(hchanSize+mem, nil, true))
        // hchan数据结构后面紧接着就是buf
        c.buf = add(unsafe.Pointer(c), hchanSize)
    default:
        // 元素包含指针,那么单独分配buf
        c = new(hchan)
        c.buf = mallocgc(mem, elem, true)
    }
    // 元素大小、类型、容量都记录下来
    c.elemsize = uint16(elem.size)
    c.elemtype = elem
    c.dataqsiz = uint(size)
    lockInit(&c.lock, lockRankHchan)
    
    return c
}
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最终,针对不同的容量和元素类型,这段代码分配了不同的对象来初始化hchan对象的字段,返回hchan对象。

send

Go在编译发送数据给chan的时候,会把send语句转换成chansend1函数,chansend1函数会调用chansend,分析学习它的逻辑:

func chansend1(c *hchan, elem unsafe.Pointer) {
   chansend(c, elem, true, getcallerpc())
}

func chansend(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool, callerpc uintptr) bool {
   // 第一部分
   if c == nil {
      if !block {
         return false
      }
      gopark(nil, nil, waitReasonChanSendNilChan, traceEvGoStop, 2)
      throw("unreachable")
   }
   ......
}
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最开始,第一部分是进行判断:如果chan是nil的话,就把调用者goroutine park(阻塞休眠),调用者就永远被阻塞住了 ,所以,第11行是不可能执行到的代码。

// 第二部分,如果chan没有被close,并且chan满了,直接返回
if !block && c.closed == 0 && full(c) {
    return false
}
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第二部分的逻辑是当你往一个已经满了的chan实例发送数据时,并且想不阻塞当前调用,那么这里的逻辑是直接返回。chansend1方法在调用chansend的时候阻塞参数,所以不会执行到第二部分的分支里。

// 第三部分,chan已经被close的情景
lock(&c.lock) // 开始加锁
if c.closed != 0 {
    unlock(&c.lock)
    panic(plainError("send on closed channel"))
}
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第三部分显示的是,如果chan已经被close了,再往里面发送数据的话会panic。

// 第四部分,从接收队列中出队一个等待的receiver
if sg := c.recvq.dequeue(); sg != nil {
    send(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
    return true
}
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第四部分,如果等待队列中有等待的receiver,那么这段代码就把它从队列中弹出,然后直接把数据交给它(通过 memmove(dst,src,t.size)),而不需要放入到buf中,速度可以更快一些。

// 第五部分,buf还么满
if c.qcount < c.dataqsiz {
    qp := chanbuf(c, c.sendx)
    if raceenabled {
        raceacquire(qp)
        racerelease(qp)
    }
    typedmemmove(c.elemtype,qp,ep)
    c.sendx++
    if c.sendx == c.dataqsiz {
        c.sendx = 0
    }
    c.qcount++
    unlock(&c.lock)
    return true
}
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第五部分说明当前没有receiver, 需要把数据放入到buf中,放入之后,就成功返回了。

// 第六部分,buf满。
// chansend1不会进入if块里,因为chansend1的block=true
if !block {
    unlock(&c.lock)
    return false
}
......
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第六部分是处理buf满的情况。如果buf满了,发送者的goroutine就会加入到发送者的等待队列中,直到被唤醒。这个时候,数据或者被取走了,或者chan被close了。

recv

再处理从chan中接收数据时,Go会把代码换成chanrecv1函数,如果要返回值,会转换成chanrecv2,chanrecv1函数和chanrecv2会调用chanrecv。源码分段为:

func chanrecv1(c *hchan, elem unsafe.Pointer){
    chanrecv(c, elem, true)
}
func chanrecv2(c *hchan, elem unsafe.Pointer) (received bool) {
    _, received = chanrecv(c, elem, true)
    return
}

func chanrecv(c *hchan, ep unsafe.Pointer, block bool) (selected, received bool) {
    // 第一部分,chan为nil
    if c == nil {
        if !block {
            return
        }
        gopark(nil, nil, waitReasonChanReceiveiveNilChan, traceEvGoStop, 2)
        throw("unreachable")
    }
}
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chanrecv1和chanrecv2传入的block参数的值是true,都是阻塞方式,所以分析chanrecv的实现的时候,不考虑block=false的情况。

第一部分是chan为nil的情况。和send一样,从nil chan中接收(读取、获取)数据时,调用者会被永远阻塞。

// 第二部分,block=false且c为空
if !block && empty(c) {
    ......
}
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第二部分你可以直接忽略,因为不是我们这次要分析的场景。

// 加锁,返回时释放锁
lock(&c.lock)
// 第三部分,c已经被close,且chan为空empty
if c.closed != 0 && c.qcount == 0 {
    unlock(&c.lock)
    if ep != nil {
        typedmemclr(c.elemtype, ep)
    }
    return true, false
}
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第三部分是chan已经被close的情况。如果chan已经被close了,并且队列中没有缓存的元素,那么返回true、false。

// 第四部分,如果sendq队列中又等待发送的sender
if sg := c.sendq.dequeue(); sg != nil {
    recv(c, sg, ep, func() { unlock(&c.lock) }, 3)
    return true,true
}
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第四部分是处理sendq队列中有等待者的情况。这个时候,如果buf中有数据,优先从buf中读取数据,否则直接从等待队列中弹出一个sender,把它的数据赋值给这个receiver。

// 第五部分,没有等待的sender,buf中有数据
if c.qcount > 0 {
    qp := chanbuf(c, c.recvx)
    if ep != nil {
        typedmemmove(c, c.recvx)
        if ep != nil {
            typedmemmove(c.elemtype, ep, qp)
        }
        typedmemclr(c.elemtype, qp)
        c.recvx ++
        if c.recvx == c.dataqsiz {
            c.recvx = 0
        }
        c.qcount --
        unlock(&c.lock)
        return true, true
    }
    
    if !block {
        unlock(&c.lock)
        return false, false
    }
    // 第六部分,buf中没有元素,阻塞
}
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第五部分是处理没有等待的sendr的情况。这个是和chansend公用一把大锁,所以不会并发的问题。如果buf有元素,就取出一个元素给receiver。

第六部分是处理buf中没有元素的情况。如果没有元素,那么当前的receiver就会被阻塞,直到它从sender中接收了数据,或者是chan被close,才返回。

close

通过close函数,可以把chan关闭,编译器会替换closechan方法的调用。

看代码,如果chan为nil,close会panic;如果chan已经closed,再次close也会panic。否则的花,如果chan不为nil,chan也没有closed,就把等待队列中的sender(writer)和receiver(reader)从队列中全部移除并唤醒。

func closechan(c *hchan) {
    if c == nil  { // chan为nil,panic
        panic(plainError("close of channel"))
    }
    
    lock(&c.lock)
    if c.closed != 0 { // chan已经closed,panic
        unlock(&c.lock)
        panic(plainError("close of closed channel"))
    }
    
    c.closed = 1
    
    var glist gList
    
    // 释放所有的reader
    for {
        sg := c.recvq.dequeue()
        ......
        gp := sg.g
        ......
        glist.push(gp)
    }
    
    // 释放所有的writer (它们会panic)
    for {
        sg := c.sendq.dequeue()
        ......
        gp := sg.g
        ......
        glist.push(gp)
    }
    unlock(&c.lock)
    
    for !glist.empty() {
        gp := glist.pop()
        gp.schedlink = 0
        goready(gp, 3)
    }
}
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总结

chan的值和状态又多种情况,而不同的操作(send、recv、close)可能得到不同的结果,这是使用chan类型时经常让人困惑的地方。

注意:关注panic的情况,另外还要掌握哪些会block的场景,都是导致死锁或goroutine泄漏的罪魁祸首

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